Сигналы звукового вещания
Сигнал звукового вещания занимает полосу частот порядка 15 кГц и имеет значительный динамический диапазон (75 дБ). Для качественной передачи такого сигнала по цифровым каналам связи необходимо применение 16-разрядной ИКМ. При этом скорость цифрового потока при преобразовании сигнала 3В вещания с помощью линейной ИКМ составляет 512 Кбит/с.
Для сокращения избыточности вещательных сигналов в современной технике применяется несколько методов. В 1980 году в компании Би-Би-Си была создана система NICAM (Near Instantaneous Companded) - система ИКМ с почти мгновенным компандированием для сокращения избыточности сигналов звукового вещания. Ее также называют системой ИКМ с масштабирующими множителями. Заложенные в ней принципы сокращения избыточности по существу мало отличаются от изобретенной несколько раньше системы БИКМ. Применение мгновенного компандирования сигнала и введение масштабных коэффициентов для блоков из последовательных 32 отсчетов позволяет уменьшить количество двоичных разрядов на один отсчет с 16 до 9.
Использование ДИКМ с введением масштабирования для блоков отсчетов также позволяет сократить количество двоичных разрядов на один отсчет до 9. При этом скорость цифрового потока при преобразовании монофонического сигнала 3В вещания уменьшается до 320 Кбит/с.
Значительным успехом в сокращении избыточности сигналов звукового вещания явилась разработка в 1989 году метода MUSICAM, включенного в стандарт MPEG (Moving Picture Expert Group), который предназначен для сокращения избыточности ТВ сигнала, включая сигнал звукового сопровождения. В системе MUSICAM вещательный сигнал разбивается на 32 парциальные полосы частот. Преобразование сигналов каждой полосы частот в цифровые потоки с помощью ИКМ осуществляется в соответствии с управляющими сигналами психоакустической модели восприятия человеком звуковых сигналов. При этом количество двоичных разрядов на один отсчет сокращается до 2. Система позволяет сократить скорость цифрового потока, необходимого для передачи сигналов моновещания, до 100 Кбит/с. В цифровом потоке со скоростью 256 Кбит/с возможна передача стереопрограммы с качеством компакт-диска.
Хронология
| 1939 год | Изобретение полосного вокодера (США - Г. Дадли). |
| 1956 год | Создание формантного вокодера (США - Дж. Флаган, К. Говард). |
| 1957 год | Создание гармонического вокодера (СССР - А. А. Пирогов). 1959 год - создание системы TASI (США - К. Булингтон и М. Фразер). |
| 1962 год | Разработка корреляционных методов сжатия спектра речи (США - М. Шредер). |
| 1978 год | Создание системы БИКМ (СССР - В. П. Кокошкин). |
| 1980 год | Разработка системы NICAM для сокращения избыточности сигналов звукового вещания (Великобритания - К. Р. Каин и Ю. В. О'Кларей). |
| 1988 год | Разработка высокоэффективной системы MUSICAM для сжатия сигнала звукового вещания. |
Сокращение избыточности при передаче ТВ сигналов
Огромная работа во второй половине XX века была выполнена исследователями разных стран по разработке методов сжатия ТВ сигналов. Сокращение полосы частот таких сигналов обусловлено тем, что ТВ сигнал обладает большой избыточностью, так как имеются незначительные отличия двух последовательных кадров изображения и в каждом кадре имеются значительные однотонные участки. Эта избыточность приводит к особенностям спектра ТВ сигнала, которые могут быть использованы для сокращения полосы частот канала связи, требуемой для передачи ТВ сигнала. Такое сокращение возможно за счет использования статистических свойств изображения и психофизиологических особенностей визуального восприятия человека.
Первым исследованием, в котором было показано, что ТВ сигнал имеет значительную избыточность, так как основная энергия его спектра, имеющего линейчатую структуру, расположена на гармониках строчной и кадровой частоты, явилась работа, выполненная в 1934 году американскими инженерами П. Мертцом и Ф. Греем.
В 1950 году в США инженер Р. Дом предложил использовать частотное уплотнение спектра ТВ сигнала дополнительной информацией, передаваемой на поднесущей, частота которой выбиралась нечетно-кратной половине частоты строк, то есть она располагалась в середине между гармониками строчной частоты. Эти исследования в последующем были использованы при выборе частоты поднесущих для передачи сигналов цветности в спектре черно-белого ТВ сигнала. На этом принципе основаны все современные стандарты цветного ТВ (NTSC, PAL, SECAM).
В СССР первые исследования возможностей сокращения избыточности ТВ сигнала были проведены в конце 50-х годов Н. Г. Дерюгиным и Д. С. Лебедевым.
Одна из ранних идей использования линейчатого характера спектра ТВ сигнала состояла в том, чтобы в одном частотном канале передавать две ТВ программы, при этом спектр второго ТВ сигнала инвертировался и помещался в промежутки между частотными составляющими спектра первого ТВ сигнала. Разделение двух сигналов осуществлялось с помощью гребенчатых фильтров. Этот метод не нашел практического применения, но через тридцать лет на основе этих идей были созданы две современные аналоговые системы передачи ТВ сигналов высокой четкости (ТВЧ).
Одна из них была разработана в Японии (MUSA - Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding), а другая - во Франции (HD-MAC). Суть сжатия спектра в этих системах состоит в том, что частотные составляющие, лежащие в верхней области спектра исходного ТВ сигнала, помещаются в промежутки между частотными составляющими, находящимися в средней части исходного спектра. В системе MUSA достигалось сжатие спектра исходного ТВЧ сигнала в 3 раза (до 8.1 МГц), а в системе HD-MAC - в 1.5 раза (до 11 МГц). В обеих системах использовалась последовательная передача сигналов яркости, цветности, звукового сопровождения и сигналов синхронизации.
Будущее развитие систем передачи видеосигналов связано с применением цифровых методов их обработки, дающих сокращение скорости цифрового потока, необходимого для передачи этих сигналов с высоким качеством. В большинстве этих методов используется ДИКМ. При этом осуществляется предсказание каждого элемента изображения на основе взвешенной комбинации предыдущих отсчетов, расположенных вблизи от него. В канал связи передается разность между предсказанным и истинным значением этого элемента. Эта разность незначительна вследствие высокой корреляции соседних элементов изображения, и для ее передачи в цифровой форме необходимо значительно меньшее количество битов, нежели это требуется для преобразования в цифровую форму его исходных отсчетов. Применяется также и субнайквистовое кодирование, когда отсчеты по вертикальной, горизонтальной и временной оси изображения передаются с частотой, меньшей, чем 1/2W, где W - полоса частот изображения. На приеме восстановление недостающих элементов осуществляется путем интерполяции.
В стандартах MPEG для сжатия сигналов изображения учитывается также то, что большая часть изменений изображения от кадра к кадру является следствием смещений малых областей изображения в предыдущем кадре. Определив для каждой области это смещение (вектор движения), можно существенно повысить точность предсказания элементов изображения и, в итоге, сократить избыточность передаваемого сигнала.
Использование ДИКМ позволяет сократить цифровой поток для цветного ТВ сигнала до 50-70 Мбит/с. Применение адаптивной ДИКМ с использованием межполевого и межкадрового предсказания позволяет сократить этот поток до 30 Мбит/с.
Использование алгоритмов компенсации движения и кодирования блоков элементов изображения с помощью косинус-преобразования или преобразования Адамара дает возможность сократить цифровой поток вещательного ТВ сигнала до 6 Мбит/с.
Этот цифровой поток путем применения многопозиционных сигналов (например, КАМ-16) можно передать в полосе частот 1.5-2 МГц, что позволяет в полосе частот стандартного канала наземного ТВ вещания разместить 4-5 цифровых ТВ программ.
Хронология
| 1934 год | Установление тонкой структуры частотного спектра сигнала изображения (США - П. Мертц и Ф. Грей). |
| 1950 год | Открытие метода частотной синхронизации, позволяющего уплотнить спектр ТВ сигнала путем передачи сигналов на поднесущих, частота которых выбирается равной нечетно-кратной половине частоты строк (США - Р. Дом). |
| 1957 год | Экспериментальные исследования спектра мощности и функции корреляции ТВ сигнала (СССР - Н. Г. Дерюгин). |
| 1958 год | Исследования возможностей применения статистического кодирования ТВ сигналов (СССР - Д. С. Лебедев). |
| 1984 год | Разработка системы MUSE (Япония). |
| 1986-1990 годы | Разработка методов сокращения цифрового потока для ТВ сигналов (Япония, Франция, США, СССР, Германия, Италия и др.). |
| 1988 год | Разработка европейской системы HD-MAC. |
| 1989 год | Завершение начатой в 1988 году разработки международной группой экспертов стандарта MPEG-1 для сжатия ТВ сигнала и стандарта для сжатия сигнала звукового сопровождения (MUSICAM). |
| 1991 год | Разработка метода сокращения избыточности цифрового сигнала ТВЧ до 25 Мбит/с. |
| 1994 год | Разработка и широкое внедрение в современную технику цифрового ТВ вещания стандарта MPEG-2 - усовершенствованной версии ранее разработанного стандарта MPEG-1. |
| 1998 год | Разработка стандарта MPEG-4, дающего большее сжатие сигналов ТВ и звукового сопровождения, нежели стандарт MPEG-2. |